Schwanger - ja oder nein?

 

100 Jahre makromolekulare Chemie

Wenn medizinische Laien eine Körperflüssigkeit (z.B. Blut oder Urin) untersuchen und nach wenigen Minuten eine gesundheitliche Diagnose stellen können, dann meist mit immunologische Schnelltests. Die wohl bekannteste Anwendung ist der Schwangerschaftstest: Ein Teststreifen wird mit Urin befeuchtet, die Flüssigkeit breitet sich dann aufgrund von Kapillarkräften auf dem Papierstreifen aus. Vorgesehene Markierungen des Teststreifens färben sich und zeigen damit das Ergebnis an. Dieses Prinzip basiert auf sogenannten Lateral Flow Assays, die auch verschiedene Infektionskrankheiten oder Drogen detektieren.

Vom Polymer zur mikroporösen Membran

Was an dem Teststreifen wie Papier aussieht, ist eine mikroporöse Membran aus Cellulosenitrat, einem Polymer aus Cellulose und Stickstoff. Diese besitzt ein hohes Bindungsvermögen für Biomoleküle, eine Membranstruktur mit definierter Permeabilität und spezifischer Oberfläche, abgestimmt auf die spätere Anwendung. Die Cellulosenitratmembranen sind ein Beispiel für Funktionswerkstoffe, deren makroskopische Eigenschaften über die chemische Zusammensetzung und den Herstellprozess gesteuert werden können.

Anwendungen

Viele verbinden Cellulosenitrat mit Feuerwerk. Dabei nutzen auch andere Anwendungen das Polymer, das eine lange und interessante Geschichte hat. Seine Kommerzialisierung begann bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts – lange bevor die Begriffe „Makromolekül“ und „Polymer“ wissenschaftlich definiert wurden. Weichmachung mit Campher ermöglichte die Herstellung einer breiten Palette von Konsumgütern unter dem Namen Celluloid, zum Beispiel Filmmaterialien, Tischtennisbälle und Schildkröt-Puppen. Viele dieser Produkte werden inzwischen aus anderen Polymeren hergestellt, nicht zuletzt wegen der leichten Entflammbarkeit des Cellulosenitrats. 

Heute ist Cellulosenitrat Ausgangsmaterial unter anderem für Nagellack, Speziallacke und Drucktinten. Diese Produkte werden aus Polymerqualitäten mit einem relativ niedrigen Nitrierungsgrad gefertigt, was die Gefahrstoffeigenschaften des Polymers wesentlich reduziert. Zudem dient das Polymer als Rohstoff für die Herstellung mikroporöser Membranen für den Nachweis von Mikroorganismen, für molekularbiologische Blotverfahren und Trägermaterial für immunologische Tests. Solche Membranen produziert zum Beispiel die Firma Sartorius unter dem Produktnamen UniSart®.
 

Industrielle Herstellung mikroporöser Membranen

Industriell wird eine mikroporöse Membran nach dem Prinzip der Mischphasenthermodynamik hergestellt. Dabei bringt eine sogenannte Ziehmaschine eine homogene Lösung von Cellulosenitrat in einem Lösungsmittelgemisch auf ein umlaufendes Stahlband. Über dieses gelangt die Lösung in einen Verdunstungskanal. Dort werden die Lösungsmittel abgetrennt. Auf dem Weg durch den Verdunstungskanal trocknet der Gießlösungsfilm und bildet dadurch eine mikroporöse Membranstruktur. Die Strukturbildung lässt sich über die Zusammensetzung der Polymerlösung und den Energieeintrag in die einzelnen Segmente des Verdunstungskanals der Ziehmaschine steuern.

Der Produktionsprozess liefert Cellulosenitratmembranen mit einer nominalen Porengröße zwischen 0,2 und 10 Mikrometern, üblicherweise mit einer Membrandicke von etwa 150 Mikrometern, einer Porosität von ca. 80 Prozent und einer spezifischen Oberfläche von ungefähr 3 m2/g. Eine Quadratzentimeter-Membran kann bis zu 200 Mikrogramm Protein binden, wobei die Proteinbindung dabei stark von der Konzentration und der Zusammensetzung der Proteinformulierung abhängt.

Nachweis durch immunologische Testverfahren

Lateral Flow Assays haben sich in der klinischen Diagnostik etabliert, sowohl als robuste Assays für Anwendungen in abgelegenen und/oder ressourcenarmen Umgebungen als auch in der täglichen klinischen Arbeit. Damit steigen auch die Anforderungen an die Membranqualität, d.h. an die Homogenität der Oberflächen- und der Membranstruktur sowie die Gleichförmigkeit der Grenzflächeneigenschaften der Membran.

Bevor sich die Testlinie färbt, finden eine Reihe von Reaktionen statt: Eine Flüssigkeitsprobe, zum Beispiel Urin, wird auf das Sample Pad aufgetragen, von dort ziehen Kapillarkräfte die Probe durch den Teststreifen. Die Flüssigkeitssäule erreicht zunächst das sogenannte Konjugat-Pad und löst das gebundene Immunkonjugat. Hier sind Partikel (Konjugate aus Antikörpern und Nanopartikeln) platziert, welche die in der Probe vorhandenen Antigene, also das nachzuweisende Molekül, binden. Sie wandern beladen mit der Flüssigkeitssäule weiter zur Testlinie, die Antikörper enthält. Bindet nun ein Konjugatpartikel, der mit einem Antigen beladen ist, dort an einen Antikörper, färbt sich der Teststreifen. Enthält die Urinprobe kein Antigen, gibt es keinen Farbumschlag. Die Konjugatpartikel wandern mit der Flüssigkeitssäule weiter zur Kontrolllinie. Hier erfolgt in jedem Fall ein Farbumschlag. Dieser zeigt, ob der Test richtig funktioniert hat.
 

Neue Entwicklungen

Herkömmliche Lateral Flow Tests basieren auf Linien (Kontroll- und Testlinien), die senkrecht zur Durchflussrichtung angeordnet sind. Da dieses Design die Multiplex-Erkennung (Hochdurchsatz) beschränkt, hat Sartorius-Stedim-Biotech eine neue Technologie, die sogenannte UniSart StructSure® Membran, entwickelt.

Hier kann ein beliebiges Fließwegdesign mit modernster Prozesstechnologie in einer Cellulosenitratmembran eingraviert werden. Die resultierende hydrophobe Barriere begrenzt die entworfenen Membrankanäle, während die Membran mit hohen nativen Proteinbindungskapazitäten voll funktionsfähig bleibt. Auf diese Weise wirken die Membrankanäle wie mikrofluidische Geräte, wobei die natürlichen Kapillarkräfte der Membran als Pumpen wirken und die gepumpte Flüssigkeit in gewisser Weise halten. Basierend auf der UniSart StructSure® Technologie könnte der Lateral Flow Assay miniaturisiert werden, so dass Multiplex-Tests mit einem sehr kleinen Probenvolumen, z. B. Fingerstickblut, durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann die Testempfindlichkeit und der Testvariationskoeffizient auch durch optimale Strömungswegdesigns verbessert werden. Mit diesen Merkmalen ist es möglich die Anwendung eines kostengünstigen Lateral Flow Assays für klinische Tests auf hohem Niveau durchzuführen.

Heutzutage gehen die Entwicklungstrends bei diagnostischen Schnelltests verstärkt in Richtung der Detektion verschiedener Infektionskrankheiten sowie der Quantifizierung von immunologischen Reaktionen und erhöhen damit die Anforderungen an die Cellulosenitratmembran, Multifunktionstests, Quantifizierbarkeit und Fortschritte in der instrumentellen Analytik erfordern somit immer wieder neues Nachdenken über die Struktur und Eigenschaften eines „alten“ Polymers.
 

Autoren: Wei Sun und Annette Reiche (Sartorius Stedim Biotech GmbH, Göttingen)
Redaktionelle Bearbeitung: Lisa Süssmuth, GDCh

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

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